5.6.1 Ensaio por ultrassom com a aplicação da técnica convencional A-SCAN com transdutor de ondas transversais de 2 MHz e 4 MHz:
Os transdutores tipo MWB N4, nos ângulos de 45°, 60° e 70° (4 MHz) tiveram resultados insatisfatórios na detecção de todos os furos do bloco, principalmente com o transdutor de 70°. Não houve uma boa relação sinal-ruído entre os ecos dos furos e os ruídos provenientes dos contornos dos grãos. Nestes transdutores, a relação sinal ruído foi inferior a 2 (altura dos ecos de ruído é maior que 50% da altura dos ecos dos furos) para a maioria dos furos, quando o mínimo o valor da relação sinal ruído especificado pelas normas PETROBRAS N 1494 C e BS EM 12668 - 3 é no mínimo 2. Para os transdutores tipo WB N2, o resultado foi mais eficiente que para os transdutores tipo MWB N4, mas foi insatisfatório na detecção de todos os furos e a relação sinal ruído dos furos detectados ficou próxima a 5 (altura dos ecos de ruído igual a 20% da altura dos ecos dos furos).
5.6.2 Ensaio por ultrassom nas peças de teste pela técnica A-Scan com ondas longitudinais de 4 MHz
Os transdutores angulares apresentaram resultados satisfatórios com a relação sinal ruído maior que 10, para ondas longitudinais com reflexão direta (½ pulo), porém, devido à existência simultânea das ondas transversais, houve interferência entre as duas ondas para a detecção dos furos de Ø 2,0 mm com reflexão indireta (1 pulo), limitando a utilização somente à incidência direta (figura 5.8).
Cada transdutor do tipo MSY N4, mostrado na tabela 4-3, gera dois feixes de onda simultaneamente, tornando o ensaio tão complexo que o inviabiliza para a utilização com incidência indireta (mais de ½ pulo), devido à interferência entre as ondas longitudinais e transversais. Foram traçados simultaneamente dois feixes sônicos, um para onda longitudinal e outro para onda transversal, com objetivo de localizar descontinuidades, analisando separadamente cada feixe. O ensaio tornou-se bastante complexo, pois as ondas, além de apresentarem ângulos diferentes, também apresentaram velocidades diferentes (Vel. Ondas Longitudinais ≈ 1,8 x Vel. Ondas Transversais).
OL =Onda Longitudinal OT = Onda Transversal
α = Ângulo de refração da onda longitudinal (equivale ao ângulo nominal do transdutor) β = Ângulo de refração da onda transversal
Figura 5.8 - Incidência simultânea de ondas longitudinais e transversais
Uma dificuldade muito comum de interpretação de resultados com o uso de transdutores do tipo WSY N4 é o inconveniente de se detectar duas reflexões simultâneas, de dois refletores de locais diferentes, sendo uma para cada tipo de onda, o que leva o inspetor a não conseguir distinguir qual das reflexões representa o sinal de qual dos dois refletores (figura 5.9). Por exemplo, considerando-se duas descontinuidades com localizada com um percurso sônico equivalente a 1,83 vezes o percurso sônico da outra (SL = 1,83ST), as
reflexões destas descontinuidades apareceriam na mesma posição na tela do aparelho (tL = tT), uma vez que os aparelhos de ultrassom, na realidade, medem o tempo de
percurso até os refletores. Assim:
(equação 5.9) S=V.t (equação 5.10) Sabe-se que: VL = 1,83VT (equação 5.11) Considerando: SL = 1,83.ST (equação 5.12) E substituindo-se a equação 5.10 em 5.12:
VL . tL = 1,83VT . tT (equação 5.13)
Substituindo-se 5.11 em 5.12:
1,83VT.tL = 1,83VT . tT (equação 5.14)
Logo:
tL = tT (equação 5.15)
VT= velocidade da onda transversal (km/s)
V= velocidade do som (km/s)
S= percurso sônico (mm)
t= tempo
VL= velocidade da onda longitudinal (km/s)
SL= percurso sônico da onda longitudinal (mm)
ST= percurso sônico da onda transversal (mm)
TL= tempo da onda longitudinal
TT= tempo da onda transversal
Na calibração da escala para ondas longitudinais no bloco V1, utilizando raio de 100 mm, foi comprovada a reflexão de dois ecos, sendo o primeiro, o eco da onda longitudinal detectado a 100 mm e, o segundo, o eco da onda transversal detectado a 183 mm na linha de varredura (escala horizontal). Constatou-se que o tempo (posição dos ecos para o mesmo refletor – raio do V1) para a onda transversal foi 1.83 vezes o tempo para a onda longitudinal, comprovando a razão entre as velocidades.
=
=1.83 (equação 5.16)
Na detecção dos furos, o transdutor duplo cristal (MSEB4H) foi eficiente na detecção de todos, figura 5.10.
O transdutor de 45° apresentou resultados satisfatórios, pois as ondas longitudinais detectaram todos os furos sem a interferência das ondas transversais de baixo ângulo (22.2°) e baixa amplitude, figura 5.11.
Por sua vez, o transdutor de 60° apresentou resultados parcialmente satisfatórios, pois as ondas longitudinais detectaram os furos 1 e 2 sem a interferência das ondas transversais
de baixo ângulo (28,3°) e baixa amplitude, porém o furo 3 foi também detectado pelas ondas transversais. Tal fenômeno ocorre, porque o furo localiza-se na linha de fusão, o que torna possível a reflexão da onda transversal, figura 5.12.
O transdutor de 70° não detectou o furo 1, porém detectou os furos 2 e 3 com interferência das ondas transversais com alta amplitude.
A tabela 5.5 resume os resultados na detecção dos 03 furos do bloco padrão para cada cabeçote.
Figura 5.9 - Ecos de duas reflexões simultâneas no mesmo ponto na linha de varredura, provenientes de dois refletores posicionados de forma que o percurso sônico de um seja o dobro do outro.
Tabela 5-5 – Relação de transdutores e detecção dos furos no bloco padrão.
Furo N° Cabeçotes
SE 45° 60° 70°
Long. Long. Transv. Long. Transv. Long. Transv.
1 D D* ND D* ND ND ND
2 D D ND D ND D D
3 D D ND D D D D
Legenda:
Long. – Ondas Longitudinais ; Transv. – Ondas Transversais; D – Detecta; ND – Não Detecta; D(*) – Detecção com baixa amplitude.
CABEÇOTE SE - FURO 1 ECOGRAMA ONDA LONGITUDINAL
CABEÇOTE SE - FURO 2 ECOGRAMA ONDA LONGITUDINAL
CABEÇOTE SE - FURO 3 ECOGRAMA ONDA LONGITUDINAL
CABEÇOTE 45 - FURO 1 ECOGRAMA ONDA LONGITUDINAL
CABEÇOTE 45 - FURO 2 ECOGRAMA ONDA LONGITUDINAL
CABEÇOTE 45 - FURO 3 ECOGRAMA ONDA LONGITUDINAL
CABEÇOTE 60 - FURO 1 ECOGRAMA ONDA LONGITUDINAL
CABEÇOTE 60 - FURO 2 ECOGRAMA ONDA LONGITUDINAL
CABEÇOTE 60 - FURO 3 ECOGRAMA ONDA LONGITUDINAL
Figura 5.12 – Detecção dos furos 3 com cabeçote de 60°.
Figura 5.12 (Continuação) – Detecção dos furos 3 com cabeçote de 60°.
Apesar da complexidade do ensaio convencional, devido ao surgimento simultâneo dos dois tipos de onda, foi possível elaborar um procedimento de ensaio que é apresentado abaixo, utilizando-se transdutores de ondas longitudinais. Este procedimento, baseado na relação sinal-ruído satisfatória e da detecção dos furos do bloco padrão, somente pode ser executado utilizando os transdutores com ângulos de 60°, 45° e 0° (MSEB4H) e com o reforço de solda removido.
5.6.3 Procedimento para técnica convencional com ondas longitudinais:
O procedimento de ensaio pela técnica convencional, utilizando-se ondas longitudinais, é semelhante ao utilizado no método convencional de ondas transversais, porém adicionando-se os seguintes requisitos:
1- Remover o reforço da solda.
2- Utilizar somente transdutores MSEB 4H, WSY 60N4 e WSY 45N4.
3- Realizar varredura somente por incidência direta com os transdutores posicionados conforme mostra a figura 5.13, nas posições A, B e C.
Figura 5.13 – Posicionamento dos transdutores – incidência direta
4- Utilizar croqui do feixe sônico com as duas ondas (longitudinal e transversal) simultâneas com seus respectivos ângulos.
5- Durante a varredura, considerar sempre o primeiro eco de reflexão (eco mais próximo ao eco de partida).
6- O ensaio fica limitado quanto à varredura e impossibilita a detecção de falta de fusão entre o tubo e a solda, se não houver acesso para a varredura com transdutores 0° (MSEB4H), pelo lado interno do mesmo, pois não é possível a incidência do feixe sônico com ângulo de 70° no metal soldado austenítico
7- O percurso sônico do primeiro eco, lido na tela do aparelho, deve sempre ser analisado pelo perfil do feixe sônico de ondas longitudinais. Para verificar o mesmo eco para ondas transversais, o percurso sônico deve ser multiplicado pelo fator de correção de velocidade (F=1,83).
5.6.4 Aplicação do ensaio através da técnica convencional utilizando sapata d´água
Devido às limitações do uso dos transdutores tipo WY-N2, houve necessidade de utilizar cabeçotes angulares somente de ondas longitudinais, porém, como já demonstrado, a onda transversal é inevitável e, portanto, deveria ser isolada no retorno (reflexão), utilizando-se transdutores angulares com coluna d´água, porém tal transdutor não foi encontrado no mercado para ser usado nesta pesquisa.
A construção de transdutores angulares, que emitam feixes sônicos de ondas longitudinais e isolem as ondas transversais no retorno através de uma coluna d´agua, baseado no princípio que as ondas transversais só se propagam nos líquidos a distâncias muito curtas, não foi possível, devido a dificuldades técnicas de fabricação, tais como: micro-usinagem e aquisição de cristais piezelétricos específicos, que são restritas e patenteadas pelos fabricantes usuais destes equipamentos (Figura 5.14).
Furo 1 Furo 2
Furo 3
A
B C
Figura 5.14 – Transdutor com coluna d´água.
Foi projetada uma sapata de acrílico (Figuras 5.15), preenchida com água, para ser fixada nos transdutores angulares convencionais do tipo MWB, a fim de obter no ensaio apenas ondas longitudinais, devido ao isolamento no retorno das ondas transversais. Tal sapata foi confeccionada (Figura 5.16), fixada ao transdutor e obteve êxito no isolamento da onda transversal, porém, devido à alta atenuação acústica da água e do acrílico, a onda longitudinal apresentou baixa intensidade de energia acústica (dB), inviabilizando o ensaio, pois sua performance não atendeu aos requisitos de calibração das normas europeias BSI BS EN 12668-3 e BSI BS EN 12668-2 e normas Petrobrás N 1590F. Além destes requisitos, a sapata fixada ao transdutor não conseguiu detectar todos os furos usinados na peça de teste e não permitiu a traçagem da curva DAC.
Figura 5.15 – Dispositivo com coluna d’água
Água
Dispositivo Peça ensaiada Transdutor tipo MWB OL OL OTFigura 5.16 – Sapata de acrílico preenchida com água.
Devido à impossibilidade de confecção do transdutor e à ineficiência da sapata, as juntas soldadas dos bocais podem ser ensaiadas parcialmente pela técnica convencional, conforme procedimento relatado no item 5.6.2.
5.6.5 Ensaio na peça de teste através da técnica Phased Array. 5.6.5.1 Calibração
Os dados fornecidos pelo programa Beam Tools foram inseridos na calibração do aparelho Ominiscan. O setup é um programa que inclui aquisição de dados e calibração do aparelho para ensaio.
Basicamente, os dados fornecidos pelo Beam Tools são inseridos através da interface Wizard.
O setup de calibração é feito através da interface Wizard, que inclui a calibração de velocidade, da sapata e sensibilidade do ensaio.
Uma curva DAC (diagrama distância amplitude) é traçada eletronicamente, considerando as amplitudes das reflexões (ecos) e distância de cada furo cilíndrico correspondente na peça de teste. Esta curva é traçada utilizando-se as ferramentas UT-Setings e Sizing- curve.
Durante a traçagem da curva DAC, os seguintes comportamentos acústicos foram observados e registrados:
1- Foi possível a detecção de todos os furos cilíndricos da peça de teste. Nas figuras 5.17 a 5.22 podemos ver imagens do ecograma e varredura setorial da detecção dos furos. Este resultado atende à norma Petrobrás 1594-F e permite concluir que um procedimento de ensaio pode ser qualificado.
2- Todas as reflexões (ecos) apresentaram relação sinal-ruído superior a 10/1, isto é, as reflexões de ruídos ficaram abaixo de 10% das reflexões dos furos.
3- Todos os furos foram detectados com o transdutor incidindo tanto pelo lado do aço carbono, quanto pelo lado do aço inoxidável. Porém, neste último arranjo, observou-se uma maior atenuação acústica, devido à heterogeneidade dos contornos de grão na solda inoxidável austenítica.
4- Além dos furos, não foram detectadas outras descontinuidades. A linha de fusão e ZAT do lado do aço carbono apresentou excelente sanidade. O furo localizado na linha de fusão deste lado foi detectado com relação sinal-ruído de 20/1.
5- Cada furo cilíndrico foi localizado com um ângulo otimizado. O furo localizado na linha de fusão do lado do aço carbono foi mais bem detectado com o ângulo de 45°, enquanto que o furo localizado no metal soldado e na linha de fusão do lado do aço inoxidável foi melhor detectado com o ângulo de 70°. Esta observação indica que a varredura angular é um importante parâmetro a ser considerado, pois sempre existirá um ângulo ótimo para a detecção de descontinuidade em depósitos soldados austeníticos, devido à anisotropia acústica causada pela heterogeneidade de grãos. Este parâmetro de variação dos ângulos de incidência somente é possível através da técnica Phased Array. No caso, foram utilizados ângulos de 0° a 72° com resolução de 1°. Este resultado favorável não pode ser obtido através da técnica convencional, a qual permite detecção dos furos somente com os ângulos fixos de 45° e 60°. Todos os furos foram detectados pela técnica Phased Array com ondas longitudinais de baixo ângulo de refração (0° a 72°), sem interferência das ondas transversais, tornando o ensaio bastante confiável.
6- Além dos ecos de todos os furos serem mostrados na apresentação A-Scan, os mesmos também tiveram suas imagens digitalizadas mostradas na apresentação S-Scan e C-Scan, com suas respectivas dimensões e localizações reais na seção transversal e ao longo do eixo da solda, o que permite ao inspetor definir o local, o tipo e o tamanho de cada descontinuidade.
Figura 5.17 – Lado aço carbono, ponto 1: Posicionamento do cabeçote (a cima) e ecograma (a baixo).
PONTO 2 LADO AÇO CARBONO
Figura 5.18 – Lado aço carbono, ponto 2: Posicionamento do cabeçote (a cima) e ecograma (a baixo).
Figura 5.19 – Lado aço carbono, ponto 3: Posicionamento do cabeçote (a cima) e ecograma (a baixo).
PONTO 1 LADO AÇO INOXIDÁVEL
Figura 5.20 – Lado aço inoxidável, ponto 1: Posicionamento do cabeçote (a cima) e ecograma (a baixo).
PONTO 2 LADO AÇO INOXIDÁVEL
Figura 5.21 – Lado aço inoxidável, ponto 2: Posicionamento do cabeçote (a cima) e ecograma (a baixo).
PONTO 3 LADO AÇO INOXIDÁVEL
Figura 5.22 – Lado aço inoxidável, ponto 3: Posicionamento do cabeçote (a cima) e ecograma (a baixo)
5.6.5.2 Gravação dos Resultados
Todos os resultados e observações descritas no item 5.6.4.1foram salvos, gravados e arquivados em um cartão de memória inserido no aparelho Omniscan. Este cartão pode ser transferido para um computador e, através do software Tomo View, é possível recuperar todos os dados do ensaio, incluindo a visualização de todos os furos, com seus respectivos ecos, imagens, localização e dimensões.
5.6.6 Análise do desempenho do ensaio - Varredura da peça B (figura 4-4).
A avaliação do desempenho consiste em comparar a imagem digitalizada da solda da peça B apresentada no ensaio por ultrassom, com a imagem apresentada nos filmes radiográficos. O desempenho foi considerado satisfatório, pois as indicações registráveis detectadas no ensaio radiográfico foram também detectadas pelo ensaio por ultrassom. As dimensões e localizações das descontinuidades detectadas no ensaio por ultrassom, foram próximas daquelas detectadas pela radiografia. O croqui mostrado na figura 5.23 compara os resultados do ensaio por ultrassom com a técnica Phased Array com os do relatório Radiográfico.
A junta soldada da peça B foi ensaiada em todo o contorno pela técnica Phased Array e as imagens foram registradas em intervalos de 100 mm. Os resultados da inspeção com esta técnica estão ilustrados nas figuras 5.24 a 5.40.
No intervalo de 0 a 100 mm foram detectadas 4 descontinuidades, cujas localizações, dimensões e imagens são mostradas nas figuras 5.24 a 5.27.
Figura 5.23 – Comparação dos resultados entre o ensaio por ultrassom Phased Array e pelo ensaio radiográfico. Descontinuidades cor vermelha detectadas pelo ensaio radiográfico e cor azul detectadas pelo ensaio por ultrassom.
Entry # Group Law Skew S(r) U(r) S(m) U(m) S(m-r) U(m-r) 2 * 1 70.0° 90.0° 37.0 mm 7.5 mm 25.0 mm 5.0 mm 12.0 mm 2.5 mm
Entry # Group Law Skew S(r) U(r) S(m) U(m) S(m-r) U(m-r)
3 * 1 63.0° 90.0° 85.0 mm 6.8 mm 40.0 mm 4.0 mm 45.0 mm 2.8 mm
Figura 5.26 – Imagem da descontinuidade 03 do intervalo de 0 a 100 mm.
Entry # Group Law Skew S(r) U(r) S(m) U(m) S(m-r) U(m-r)
Figura 5.27 – Imagem da descontinuidade 04 do intervalo de 0 a 100 mm.
No intervalo de 100 a 200 mm foram detectadas 2 descontinuidades, cujas localizações, dimensões e imagens são mostradas nas figuras 5.28 e 5.29.
Entry
# Group Law Skew S(r) U(r) S(m) U(m) S(m-r) U(m-r)
1 * 1 69.0° 90.0° 124.0 mm 6.2 mm 112.0 mm 4.7 mm 12.0 mm 1.5 mm
Entry # Group Law Skew S(r) U(r) S(m) U(m) S(m-r) U(m-r)
2 * 1 53.0° 90.0° 202.0
mm 6.2 mm 199.0
mm 4.5 mm 3.0 mm 1.7 mm
Figura 5.29 – Imagem da descontinuidade 02 do intervalo de 100 a 200 mm.
No intervalo de 200 a 300 mm foram detectadas 3 descontinuidades, cujas localizações, dimensões e imagens são mostradas nas figuras 5.30 a 5.32.
Entry # Group Law Skew S(r) U(r) S(m) U(m) S(m-r) U(m-r)
1 * 1 60.0° 90.0° 258.0
mm 4.5 mm 251.0
mm 2.9 mm 7.0 mm 1.6 mm
Entry # Group Law Skew S(r) U(r) S(m) U(m) S(m-r) U(m-r) 2 * 1 40.0° 90.0° 291.0 mm 10.7 mm 278.0 mm 8.6 mm 13.0 mm 2.1 mm
Entry
# Group Law Skew S(r) U(r) S(m) U(m) S(m-r) U(m-r)
1 46.0° 90.0° 318.0
mm 7.2 mm 311.0
mm 4.4 mm 7.0 mm 2.8 mm
Figura 5.32 – Imagem da descontinuidade 03 do intervalo de 200 a 300 mm.
No intervalo de 300 a 400 mm foram detectadas 3 descontinuidades, cujas localizações, dimensões e imagens são mostradas nas figuras 5.33 a 5.35.
Entry # Group Law Skew S(r) U(r) S(m) U(m) S(m-r) U(m-r)
1 * 1 56.0° 90.0° 363.0
mm 7.2 mm 359.0
mm 6.0 mm 4.0 mm 1.2 mm
Entry # Group Law Skew S(r) U(r) S(m) U(m) S(m-r) U(m-r)
2 * 1 64.0° 90.0° 379.0
mm 8.2 mm 374.0
mm 5.1 mm 5.0 mm 3.1 mm
Entry # Group Law Skew S(r) U(r) S(m) U(m) S(m-r) U(m-r)
3 * 1 64.0° 90.0° 411.0
mm 8.9 mm 404.0
mm 5.1 mm 7.0 mm 3.8 mm
Figura 5.35 – Imagem da descontinuidade 03 do intervalo de 300 a 400 mm.
No intervalo de 400 a 490 mm foram detectadas 5 descontinuidades, cujas localizações, dimensões e imagens são mostradas nas figuras 5.36 a 5.40.
Entry # Group Law Skew S(r) U(r) S(m) U(m) S(m-r) U(m-r)
1 * 1 60.0° 90.0° 422.0
mm 7.1 mm 420.0
mm 4.8 mm 2.0 mm 2.3 mm
Entry # Group Law Skew S(r) U(r) S(m) U(m) S(m-r) U(m-r)
2 * 1 69.0° 90.0° 426.0
mm 8.2 mm 423.0
mm 5.8 mm 3.0 mm 2.4 mm
Entry
# Group Law Skew S(r) U(r) S(m) U(m) S(m- r) U(m- r) 3 * 1 68.0° 90.0° 432.0 mm 7.2 mm 426.0 mm 5.0 mm 6.0 mm 2.2 mm
Entry # Group Law Skew S(r) U(r) S(m) U(m) S(m-r) U(m-r) 4 * 1 68.0° 90.0° 468.0 mm 7.8 mm 445.0 mm 5.8 mm 23.0 mm 2.0 mm
Entry
# Group Law Skew S(r) U(r) S(m) U(m) S(m- r) U(m- r) 5 * 1 68.0° 90.0° 484.0 mm 7.9 mm 478.0 mm 5.8 mm 6.0 mm 2.1 mm